5 Mythen zur Signalintegrität: AC-Edition

Wenn Sie dachten, Signalintegrität und EMI seien voller Mythen, dann warten Sie, bis Sie der Power Integrity begegnen. In der Leistungselektronik und im PCB-Design gibt es Power Integrity in zwei Ausprägungen: Die DC-Power-Integrity haben wir an anderer Stelle im Blog behandelt, jetzt ist es an der Zeit, einen Blick auf die fünf größten Mythen der AC-Power-Integrity zu werfen. Legen wir direkt los!

Mythos 1: Jedes Netzteil funktioniert

In vielen Diskussionen über Power Integrity wird die Rolle des Spannungsreglers völlig ignoriert und angenommen, dass der Spannungsregler theoretisch perfekt sei. In der Realität liefern Halbleiterhersteller für digitale Hochgeschwindigkeitssysteme speziell entwickelte Spannungsregler, um Leistung bei hohen Geschwindigkeiten bereitzustellen. Typische Spannungsreglermodule für digitale Hochgeschwindigkeits-Versorgungsschienen haben zwei wichtige Eigenschaften:

• Sie sind mehrphasige Abwärtswandler
• Sie besitzen eine hohe Regelkreisbandbreite
• Sie haben eine niedrige Ausgangsinduktivität

Der Grund für den ersten Punkt ist, dass mehrphasige Designs mit einer höheren effektiven Schaltfrequenz bei niedrigem Tastverhältnis pro Phase arbeiten können, was das Schaltgeräusch am Ausgang reduziert. Ich habe diesen wichtigen Punkt in einem anderen Blogbeitrag beschrieben.

Für digitale Hochgeschwindigkeitsdesigns ist jedoch der zweite Punkt wichtiger, da er bestimmt, wie schnell der Regler auf Transienten am Ausgang reagieren und damit eine stabile Ausgangsspannung aufrechterhalten kann. Die Folgerung aus dem zweiten Punkt ist, dass der Regler eine niedrige Ausgangsimpedanz hat, und diese Impedanz muss bis zu sehr hohen Frequenzen niedrig bleiben. Zusammen stellen diese Faktoren sicher, dass der Regler und die Struktur des PDN (mit seinen diskreten Kondensatoren und der Flächenkapazität) Ripple auf der Versorgungsschiene unterdrücken können, wenn schnelle digitale I/Os zu schalten beginnen.

Mythos 2: Eine einzelne Versorgungslage ist ausreichend

Einige Designs kommen mit einer einzelnen Versorgungslage aus, selbst wenn diese in mehrere Rails unterteilt ist. Bei kleineren digitalen Prozessoren mit möglicherweise weniger als 1000 Balls in einem BGA-Gehäuse werden dennoch mehrere Versorgungsspannungen benötigt. Die Versorgungslage könnte jedoch in große Rails segmentiert werden, um die gesamte erforderliche Leistung zum Prozessor zu führen. Ein Beispiel, das die mögliche Anzahl und Vielfalt von Power Rails auf einer einzelnen Lage zeigt, die ein großes BGA versorgt, ist unten dargestellt.

Wenn Sie versuchen, zu viele Power Rails auf einer einzelnen Lage unterzubringen, könnten diese Rails am Ende zu viel Strom führen. Stattdessen benötigen Sie möglicherweise eine weitere Versorgungslage für die stromstarken Rails.

Mit zunehmender Größe von Prozessoren und der Notwendigkeit, mehr I/Os bei höherer Geschwindigkeit zu unterstützen, können mehrere Power-Plane-Lagen erforderlich werden, und jede davon muss ihre eigene Ground-Plane haben. Dies ist notwendig, um genügend Flächenkapazität bereitzustellen, damit die PDN-Impedanz unter einem geeigneten Zielwert bleibt. PDN-Impedanzen im Sub-Milliohm-Bereich bis in den Frequenzbereich von 100 MHz bis 1 GHz sind bei großen digitalen Prozessoren die Norm. Beispiele für solche Prozessoren sind große CPUs und große FPGAs mit mehr als 1.000 Pins.

Mythos 3: Dielektrika mit niedrigem Dk sind gut für Power Integrity

Digitale Hochgeschwindigkeitsdesigns verwenden häufig fortschrittliche FR4-Materialien mit Dk-Werten zwischen 3 und 4. Diese Materialien weisen in der Regel auch eine geringe Dispersion auf, und in Verbindung mit dem niedrigen Dk-Wert sind sie für die Signalintegrität in Kanälen mit hoher Bandbreite vorteilhaft. Dielektrika mit niedrigem Dk sind jedoch nicht immer die beste Option für Power Integrity.

Es ist nicht so, dass Materialien mit niedrigem Dk „schlecht“ für Power Integrity wären, sondern dass ein höherer Dk-Wert im Power-Ground-Plane-Paar die bessere Option sein kann. Der Grund dafür ist, dass Dielektrika mit höherem Dk bei gegebener Dicke eine größere Flächenkapazität bieten. Deshalb wird in manchen Fällen im Lagenaufbau ein spezielles Material verwendet, das als Embedded Capacitance Material (ECM) bekannt ist. Diese Materialien haben in der Regel drei wichtige Eigenschaften:

• Sehr geringe Lagenstärken
• Sehr hoher Dk-Wert
• Höherer Df-Wert als fortschrittliche FR4-Materialien

Der höhere Df-Wert hilft, Transienten bei hohen Frequenzen zu dämpfen, während der hohe Dk-Wert und die geringe Lagenstärke eine sehr hohe Flächenkapazität bis in den GHz-Bereich ermöglichen. Jenseits dieser Frequenzen übernimmt die In-Package-PDN-Impedanz des Prozessors und bestimmt die Power Integrity, die an den Bumps auf dem Die sichtbar ist.

• Erfahren Sie in diesem Artikel mehr über ECMs

Daten, die eine verringerte PDN-Impedanz zeigen, wenn ein dünneres ECM in einem PCB-Lagenaufbau verwendet wird. Sehr deutlich ist zu erkennen, dass das Resonanzverhalten nahe 1 GHz durch den Einsatz eines dünneren ECM-Materials stark reduziert wird. [Quelle: DuPont]

Mythos 4: Die drei Kondensatorwerte

Die häufigste Empfehlung, die Sie bei der Auswahl von Entkopplungs-/Bypass-Kondensatoren finden werden, lautet, drei Kondensatorwerte zu verwenden, die jeweils um eine Dekade auseinanderliegen, also z. B. 10 µF, 1 µF und 100 nF. Das mag für ASICs funktionieren, kann aber bei großen digitalen Prozessoren, die eine niedrige PDN-Impedanz ohne Resonanzspitzen erfordern, schnell an seine Grenzen stoßen. Der Grund ist, dass die Resonanzen den Zielwert der Impedanz leicht überschreiten können, was zu starken Transienten bei diesen Frequenzen führt, die die Leistungsversorgung stören.

Die folgende Abbildung aus dem grundlegenden Artikel im Signal Integrity Journal von Eric Bogatin, Steve Sandler und Larry Smith veranschaulicht, warum dies für große digitale Prozessoren, die Leistung bei hoher Bandbreite benötigen, möglicherweise nicht die optimale Auswahl an Kondensatoren ist.

PDN-Impedanz mit mehreren MLCC-Werten. [Quelle: Signal Integrity Journal]

Während das Hinzufügen weiterer Kondensatoren die PDN-Impedanzkurve absenkt, könnte eine extrem große Anzahl erforderlich sein, um die PDN-Impedanzspitzen unter den Zielwert zu drücken. Ein besserer Ansatz besteht darin, die Kondensatorwerte stärker zu verteilen als die drei Werte aus der klassischen Designrichtlinie. Dadurch lassen sich die PDN-Impedanzspitzen glätten, sodass insgesamt weniger Kondensatoren benötigt werden, um die Impedanzkurve unter dem Zielwert zu halten.

Mythos 5: Kondensatoren müssen immer nahe an den VDD-/GND-Pins liegen

Bei kleineren Prozessoren in Quad-Gehäusen und bei ASICs stimmt diese Aussage tatsächlich, insbesondere wenn die Leistung nicht über ein Power-/Ground-Plane-Paar bereitgestellt wird. Bei größeren digitalen Prozessoren in BGA-Gehäusen, die Power-Ground-Plane-Paare benötigen, um die Pins im inneren Gehäusebereich zu erreichen, ist es jedoch nicht möglich, alle Kondensatoren nahe an den Power- und Ground-Pins zu platzieren.

Wenn Power-Ground-Plane-Paare in einem Design mit einem BGA verwendet werden, ist die Pfadinduktivität durch die Plane deutlich geringer als die Induktivität jeder Verbindung, die mit Leitungen und Vias geroutet wird. Ein Power-/Ground-Plane-Paar verhält sich wie eine verteilte Struktur mit niedriger Induktivität, typischerweise im Bereich von 0,1 bis 0,5 nH, während eine Kombination aus kurzer Leiterbahn und Via 1 bis 2 nH einbringt und längere Leiterbahnverläufe mit mehreren Vias 5 bis 10 nH oder mehr erreichen können.

Die folgende Tabelle zeigt beispielhafte Induktivitätswerte für verschiedene Verbindungstypen, um zu veranschaulichen, warum ein plane-basiertes Routing die Platzierungsanforderungen verändert.

Da das Plane-Paar die Verbindungsinduktivität unabhängig vom lateralen Abstand zwischen einem Entkopplungskondensator und den Prozessorpins niedrig hält, können Kondensatoren, die mehrere Millimeter vom BGA-Feld entfernt platziert sind, während transienter Ereignisse dennoch effektiv Ladung liefern. Die maßgebliche Einschränkung ist nicht die absolute Nähe, sondern die Induktivität des Strompfads, und eine plane-basierte Versorgung hält diese Induktivität deutlich unter dem, was mit leitungsgerouteten Verbindungen erreichbar ist.

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